【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种测试固井水泥石与套管摩擦性能的装置及方法，属于油气井工程领域。
技术介绍
1、在高温高压井油气开采、稠油热采等过程中，经常会发生即便在全井固井的井段也出现不同程度的井口抬升现象，严重威胁油气井安全生产。其主要原因是套管与水泥环具有不同的热膨胀系数，油气流将井底热量携带至井口或在注汽作业过程中，随井口温度升高，套管热胀力逐渐克服水泥环胶结力而发生失效，而胶结失效后套管抬升主要受到水泥环摩擦约束。因此，准确地获取固井水泥与套管胶结失效的最大静摩擦系数以及胶结失效后的动摩擦系数对于井口抬升预测、井口装置选择等均具有重要意义。
2、在以往关于固井水泥石与套管摩擦性能的研究中，多以数值模拟为主，缺乏可靠的实验验证。而在已报道的模拟测试装置中，主要存在两个方面问题：一是模拟井筒装置一般较大，导致测试的精度较低、误差较大，且测试过程繁琐、成本极高；二是未能考虑界面接触力的作用。在稠油热采井注气焖井、高温高压井限压开采中，在井筒内压力和地层压力等的共同作用下，固井水泥石-套管之间存在一个垂直于胶结面的界面接触力作用，而该界面接触力的大小将很大程度地影响摩擦力与摩擦系数。因此，亟需提供一种能够在模拟井下固井水泥石与套管受到界面接触力作用条件下，准确地测试固井水泥石与套管之间的摩擦力和摩擦系数的装置和方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种测试固井水泥石与套管摩擦性能的装置及方法，该装置可以在模拟井下固井水泥石与套管受到界面接触力作用条件下，准确地测试固井水泥
2、本专利技术提供的测试固井水泥石与套管之间摩擦性能的装置，包括界面接触力液压施加系统、界面摩擦力测试系统和控制与数据采集系统；
3、所述界面接触力液压施加系统用于向试样施加界面接触力；
4、所述界面摩擦力测试系统用于向所述试样中的模拟套管施加推力，从而实现所述试样中所述模拟套管与水泥石之间的摩擦力和摩擦系数；
5、所述控制与数据采集系统用于监测所述界面接触力、所述模拟套管受到的推力和位移；
6、所述控制与数据采集系统控制所述界面接触力液压施加系统施加恒定的所述界面接触力；
7、所述试样由所述模拟套管与所述水泥石胶结而成。
8、上述的装置中，所述界面接触力液压施加系统包括依次连接的界面接触力加载伺服电机、加载压头ⅰ和压力板，所述压力板与所述模拟套管配合，以向所述试验施加界面接触力；
9、优选地，所述压力板上还设有多个圆柱滚轴，可以更好地传递力，同时保证所述模拟套管与所述水泥石之间力的传递更准确，不受外力的干扰；
10、所述加载压头ⅰ与所述压力板之间设有界面接触力传感器；
11、所述界面接触力加载伺服电机和所述界面接触力传感器均与所述控制与数据采集系统连接。
12、上述的装置中，所述界面摩擦力测试系统包括依次连接的摩擦力加载伺服电机、加载压头ⅱ和推力板，所述推力板与所述模拟套管配合，以向所述模拟套管施加推力，所述模拟套管的另一端连接有位移传感器；
13、所述加载压头ⅱ与所述推力板之间设有摩擦力测量传感器；
14、与所述界面摩擦力测试系统相对的一端，所述水泥石的一端配合有止推板，以防止所述水泥石的移动。
15、上述的装置中，所述液压加载伺服电机固定在上支撑板上；
16、所述摩擦力加载伺服电机固定在下支撑板上；
17、所述上支撑板与所述下支撑板通过高强度钢棒连接。
18、上述的装置中，所述控制与数据采集系统包括电脑和与之连接的所述界面接触力传感器、所述摩擦力测量传感器和所述位移传感器；
19、所述摩擦力测量传感器和所述位移传感器将模拟套管上受到的推力f以及位移s实时采集并传输到所述电脑上，由采集系统实时记录并绘制实验曲线。
20、在所述装置的基础上，本专利技术还提供了一种测试固井水泥石与套管之间摩擦性能的方法，包括如下步骤：
21、s1、根据井下实际环境条件，得到作用在套管-水泥环界面上的界面接触力p；
22、s2、将养护后的试样放置在所述压力板下，启动所述界面接触力液压施加系统，在试样上施加s1中得到的所述界面接触力p；
23、s3、通过所述界面摩擦力测试系统，以力控制方式，逐渐向所述模拟套管施加推力；
24、当所述模拟套管与所述水泥石之间发生相对运动时，所述加载压头ⅱ施加的载荷达到最大值tmax，此值即为与所述水泥石与所述模拟套管之间的最大静摩擦力fs，静摩擦系数ωs计算如下式所示：
25、ωs＝fs/p；
26、其中，fs＝tmax；
27、s4、继续向模拟套管施加推力，随后所述模拟套管与所述水泥石之间发生相对运动，二者之间产生的摩擦力逐渐趋于稳定值tsta，就能获得所述水泥石与所述模拟套管之间的滑动摩擦力fm，静摩擦系数ωm计算如下式所示：
28、ωs＝fm/p；
29、其中，fm＝tsta。
30、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
31、本专利技术考虑了界面接触力对固井水泥石与套管之间摩擦性能的影响，而且能够通过改变界面接触力大小以及对试样开展不同的处理(如高温多轮次养护、改变水泥浆配方、改变模拟套管表面粗糙度等)，即可模拟各种不同的井下工况，而且与现有大型全尺寸套管模拟评价装置相比，本专利技术装置和方法制造成本和实验成本低，易于操作，测试的精度更高，结果准确性。
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1.一种测试固井水泥石与套管之间摩擦性能的装置，包括界面接触力液压施加系统、界面摩擦力测试系统和控制与数据采集系统；
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述界面接触力液压施加系统包括依次连接的界面接触力加载伺服电机、加载压头Ⅰ和压力板，所述压力板与所述模拟套管配合，以向所述试验施加界面接触力；
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述压力板上还设有多个圆柱滚轴。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于：所述界面摩擦力测试系统包括依次连接的摩擦力加载伺服电机、加载压头Ⅱ和推力板，所述推力板与所述模拟套管配合，以向所述模拟套管施加推力，所述模拟套管的另一端连接有位移传感器；
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述液压加载伺服电机固定在上支撑板上；
6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其特征在于：所述控制与数据采集系统包括电脑和与之连接的所述界面接触力传感器、所述摩擦力测量传感器和所述位移传感器。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述摩擦力测量传感器和所述位移传感
8.一种测试固井水泥石与套管之间摩擦性能的方法，采用权利要求1-7中任一项所述装置，包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种测试固井水泥石与套管之间摩擦性能的装置，包括界面接触力液压施加系统、界面摩擦力测试系统和控制与数据采集系统；
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述界面接触力液压施加系统包括依次连接的界面接触力加载伺服电机、加载压头ⅰ和压力板，所述压力板与所述模拟套管配合，以向所述试验施加界面接触力；
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述压力板上还设有多个圆柱滚轴。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于：所述界面摩擦力测试系统包括依次连接的摩擦力加载伺服电机、加载压头ⅱ和推力板，所述推力板与所述模拟套管配合，以向所述模拟套管施加推力，...
【专利技术属性】
技术研发人员：李中，殷志明，武治强，张兴全，马英文，杨向前，郭华，岳家平，任美鹏，刘磊，王隽妍，
申请(专利权)人：中海石油中国有限公司，
类型：发明
国别省市：
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